CN107385283B - 铝基复合材料 - Google Patents

铝基复合材料 Download PDF

Info

Publication number
CN107385283B
CN107385283B CN201710822950.6A CN201710822950A CN107385283B CN 107385283 B CN107385283 B CN 107385283B CN 201710822950 A CN201710822950 A CN 201710822950A CN 107385283 B CN107385283 B CN 107385283B
Authority
CN
China
Prior art keywords
reinforcing material
aluminum matrix
matrix composite
aluminium sheet
aluminium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710822950.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107385283A (zh
Inventor
史清宇
张帅
吴建军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tsinghua University
Original Assignee
Tsinghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsinghua University filed Critical Tsinghua University
Priority to CN201710822950.6A priority Critical patent/CN107385283B/zh
Publication of CN107385283A publication Critical patent/CN107385283A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107385283B publication Critical patent/CN107385283B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C26/00—Alloys containing diamond or cubic or wurtzitic boron nitride, fullerenes or carbon nanotubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0084—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ carbon or graphite as the main non-metallic constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C26/00—Alloys containing diamond or cubic or wurtzitic boron nitride, fullerenes or carbon nanotubes
    • C22C2026/002—Carbon nanotubes

Abstract

本发明提供了一种铝基复合材料，其包括：基体，为纯铝；以及增强材料，分布于基体内。增强材料与基体固态结合，且铝基复合材料内的纯铝与增强材料形成的化合物占铝基复合材料的体积分数小于0.001％。这种“固态结合”实际上是一种固态焊接或焊合的过程，是一个物理过程。在固态焊接过程中，基体纯铝只是发生了塑性变形，塑性变形后的纯铝包裹住增强材料、与增强材料充分混合、并在冷却后与增强材料结合为一体，由此得到具有优异的力学性能和高的导电性的铝基复合材料。此外，由于基体与增强材料不发生化学反应或发生轻微的化学反应，因而如果产生了某些化合物，这些化合物的含量也是极其少量的，其对铝基复合材料的综合性能影响不大，可以忽略。

Description

铝基复合材料
技术领域
本发明涉及复合材料制备技术领域，尤其涉及一种铝基复合材料。
背景技术
随着现代科学技术和工业制造业的迅猛发展，航空航天、车辆工程以及电力电子等领域对金属材料的力学性能和导电性提出了更高的要求。在提高金属材料力学性能尤其是抗拉强度以及延展性的基础上保持甚至提高其导电性能逐渐成为这些领域近年来的研究热点。
纯铝作为一种金属材料，具有良好的导电性，可以基本满足上述领域对金属材料导电性能的要求。但是纯铝本身的抗拉强度较低，在提高纯铝抗拉强度的同时，其导电性则会不可避免地由于增强材料(即增强相)的掺入而显著降低。因此，如何制备一种在满足力学性能要求的同时，又能提高其导电性的复合材料是上述领域急需解决的关键问题。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种铝基复合材料，其具有优异的力学性能和高的导电性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种铝基复合材料，其包括：基体，为纯铝；以及增强材料，分布于基体内。其中，增强材料与基体固态结合，且铝基复合材料内的纯铝与增强材料形成的化合物占铝基复合材料的体积分数小于0.001％。
本发明的有益效果如下：
在根据本发明的铝基复合材料中，增强材料与基体采用固态结合的方式形成铝基复合材料，这种“固态结合”实际上就是一种固态焊接或焊合的过程，是一个物理过程。在固态焊接过程中，作为基体的纯铝只是发生了塑性变形，塑性变形后的纯铝包裹住增强材料、与增强材料充分混合、并在冷却后与增强材料结合为一体，由此得到具有优异的力学性能和高的导电性的铝基复合材料。此外，由于基体与增强材料不发生化学反应或发生轻微的化学反应，因而如果产生了某些化合物，这些化合物的含量也是极其少量的，其对铝基复合材料的综合性能影响不大，可以忽略。
附图说明
图1是根据本发明的铝基复合材料的制备方法所采用的第一铝板、第二铝板和第三铝板未加工的立体分解图，其中第一铝板已填满增强材料。
图2是图1中的第一铝板未填充增强材料的立体图。
图3是图1中的第三铝板、第一铝板和第二铝板叠放在一起且未加工的组装立体图。
图4是图3中的第一铝板、第二铝板和第三铝板在搅拌头的作用下的加工示意图，箭头表示搅拌头的平移运动方向。
图5是图4中的搅拌头的立体图。
图6是根据本发明的铝基复合材料的一示意图，其中虚线部分为增强材料且增强材料为碳纳米管。
图7是根据本发明的铝基复合材料的另一示意图，其中虚线部分为增强材料且增强材料为石墨烯。
图8是根据本发明的铝基复合材料的又一示意图，其中虚线部分为增强材料且增强材料为碳纳米管和石墨烯。
其中，附图标记说明如下：
1第一铝板 52搅拌针
11收容孔 n收容孔的孔宽
2第二铝板 m收容孔的孔长
3第三铝板 k搅拌针的长度
4增强材料 d1第一铝板的厚度
5搅拌头 d2第二铝板的厚度
51轴肩 d3第三铝板的厚度
具体实施方式
下面参照附图来详细说明根据本发明的铝基复合材料。
参照图6至图8，根据本发明的铝基复合材料包括：基体，为纯铝；以及增强材料4，分布于基体内。其中，增强材料4与基体固态结合，且铝基复合材料内的纯铝与增强材料4形成的化合物占铝基复合材料的体积分数小于0.001％。
在根据本发明的铝基复合材料中，增强材料4与基体采用固态结合的方式形成铝基复合材料，这种“固态结合”实际上就是一种固态焊接或焊合的过程，是一个物理过程。在固态焊接过程中，作为基体的纯铝只是发生了塑性变形(即仅仅是被软化)，塑性变形后的纯铝包裹住增强材料4、与增强材料4充分混合、并在冷却后与增强材料4结合为一体，由此得到具有优异的力学性能和高的导电性的铝基复合材料。此外，由于基体与增强材料4不发生化学反应或发生轻微的化学反应，因而如果产生了某些化合物，这些化合物的含量也是极其少量的(少于0.001％)，其对铝基复合材料的综合性能影响不大，可以忽略。
在根据本发明的铝基复合材料中，增强材料4可选自碳纳米管和石墨烯中的至少一种，此时作为基体的纯铝与增强材料4在制备过程中可能不形成化合物，可能形成了化合物Al4C3。
具体地，在通常情况下，作为基体的纯铝与增强材料4不会发生任何化学反应，因而在形成的铝基复合材料中不存在任何化合物(即铝基复合材料内的铝与增强材料形成的化合物占铝基复合材料的体积分数为0)。但是在制备过程中，由于无法绝对保证制备过程中的温度，因而基体与增强材料4可能会发生轻微的化学反应，此时基体与增强材料4就会形成化合物Al4C3，但是Al4C3的量也是极其少量的，其占铝基复合材料的体积分数大于0且小于0.001％。此外，由于极少量的Al4C3对铝基复合材料的综合性能影响并不大，因而可以忽略。
在这里补充说明的是，在制备出本发明的铝基复合材料后，本发明采用X射线衍射分析(X-ray diffraction，简称XRD)的检测制备对该铝基复合材料进行了检测，结果并没有发现有Al4C3化合物的衍射峰；同时还采用透射电镜对铝碳结合界面进行了观察，发现铝碳原子之间的原子间距尚未达到形成化学键。因此，基于上述两种方法的检测结果，可以证明所制备出的铝基复合材料基本无Al4C3化合物。
石墨烯和碳纳米管自问世以来便受到了各个领域的关注。由于碳纳米管和石墨烯本身特殊的一维和二维的结构特性，使其在导电性能和力学性能方面具有独特的优势。理论计算表明，单根碳纳米管或者单层石墨烯的导电率要高于现有的纯金属材料。因此，以碳纳米管或石墨烯作为增强材料4并与纯铝一起制备出的铝基复合材料具有高强度、高延展性和高导电率。
接着说明本发明的铝基复合材料的制备方法。
参照图1至图5，本发明的铝基复合材料的制备方法包括步骤：S1，提供一块厚度为d1的纯铝板并定义为第一铝板1，第一铝板1上加工有多个收容孔11；S2，提供另一块厚度为d2的纯铝板，将其放置在第一铝板1的下方并定义为第二铝板2；S3，在第一铝板1的各收容孔11内填满增强材料4并压实；S4，提供再一块厚度为d3的纯铝板并将其放置在第一铝板1的上方并定义为第三铝板3，第三铝板3压住第一铝板1以使增强材料4固定在收容孔11中；S5，将第三铝板3、第一铝板1和第二铝板2叠放在一起并利用固定夹具(未示出)夹紧固定第三铝板3、第一铝板1和第二铝板2；S6，提供旋转搅拌头5，旋转搅拌头5具有轴肩51和固定连接于轴肩51的搅拌针52(welding pin)，搅拌针52的长度为k，且d1+d3<k<d1+d2+d3；S7，使搅拌头5的搅拌针52从第三铝板3的靠近增强材料4的位置从上到下压入第三铝板3、第一铝板1以及第二铝板2，并使搅拌头5的轴肩51接触第三铝板3的上表面；以及S8，使搅拌头5旋转并在第三铝板3的上表面平移运动，搅拌头5的轴肩51的下表面与第三铝板3的上表面摩擦，搅拌头5在工作过程中使得第三铝板3、第一铝板1和第二铝板2达到的温度低于纯铝的熔点以及纯铝和增强材料4发生反应的温度，且搅拌针52的平移运动遍历至少所有收容孔11的整个外周对应的三维区域(即由第一铝板1的收容孔11、收容孔11内的增强材料4、第二铝板2的处于收容孔11正下方的部分以及第三铝板3的处于收容孔11正上方的部分一起形成)，以使所述三维区域内形成纯铝为基体而增强材料4分布于基体内并与基体固态结合的铝基复合材料。
在本发明的铝基复合材料的制备方法中，基于搅拌摩擦进行焊接的原理，利用旋转搅拌头5的旋转运动和平移运动，使增强材料4与纯铝(即第一铝板1、第二铝板2和第三铝板3)充分混合并固态结合在一起，从而制备出铝基复合材料。本发明所述的制备方法的整个操作过程简单，且由于增强材料4比纯铝具有更高的力学性能和导电性能，因此利用该方法制备出的铝基复合材料具有优异的力学性能和高的导电性。
在步骤S8中，参照图4，搅拌头5可沿与第一铝板1的长度方向平行的方向平移运动。这里，搅拌头5的平移运动实际上一种往复运动，即搅拌头5的搅拌针52在所述三维区域内沿着与第一铝板1的长度方向平行的方向来回运动，搅拌针52在当前一次平移搅动的部分与上一次平移搅动的部分有重叠的部分，从而搅拌针52可以至少遍历整个三维区域。本发明的铝基复合材料的制备方法还可包括步骤：S9，冷却第三铝板3、第一铝板1和第二铝板2。在进行搅拌摩擦、固态焊接后，通常是将第三铝板3、第一铝板1和第二铝板2进行自然冷却，当然也可以利用风扇进行风冷。
本发明的铝基复合材料的制备方法还可包括步骤：S10，多次重复步骤S8并冷却第三铝板3、第一铝板1和第二铝板2。这里，可以把步骤S8中搅拌针52的平移运动遍历所述三维区域一次，称为一次完整的加工，为了使增强材料4与纯铝更充分的混合并固态结合在一起，可以多次重复步骤S8以进行多次加工。最后一次加工完毕后，再对第三铝板3、第一铝板1和第二铝板2进行自然冷却，当然也可以利用风扇进行风冷。
本发明的铝基复合材料的制备方法还可包括步骤：S11，围绕所有收容孔11的整个外周区域进行切割。这里所说的“外周区域”不仅限如上述的三维区域。因为在固态焊接过程中，搅拌针52的平移运动遍历至少所有收容孔11的整个外周对应的三维区域，而不仅限于该三维区域，搅拌针52的平移运动也可以遍历三维区域及其周边的部分。
在根据本发明的铝基复合材料的制备方法中，收容孔11的形状可为长方形，当然不仅限于长方形。
搅拌针52的形状可为圆柱体，进一步地，搅拌针52可为带有螺纹的圆柱体。当然，搅拌针52的形状也可为其他形状。
在一实施例中，搅拌头5的轴肩51为等截面圆柱体，搅拌针52为变截面圆柱体，且搅拌针52的大端固定连接于轴肩51。各收容孔11的孔宽为n，n小于或等于搅拌针52的大端直径。各收容孔11的孔长为m，m小于第一铝板1的长度。
多个收容孔11等间隔分布，且所有收容孔11的大小均相同。
第二铝板2和第三铝板3的长度、宽度均与第一铝板1的长度、宽度分别对应相同。
第一铝板1的厚度小于第二铝板2的厚度，第二铝板2的厚度等于第一铝板3的厚度，即d1<d2，d2＝d3，且各收容孔11的孔深等于d1。
在根据本发明的铝基复合材料的制备方法中，加入到第一铝板1中的增强材料4的体积分数为x，即：
在这里补充说明的是，上式是把所有收容孔11内的空间均看成是填满了增强材料4，由此得出来的x是一个近似的体积分数。

Claims (3)

1.一种铝基复合材料，包括：
基体，为纯铝；以及
增强材料(4)，分布于基体内；
其特征在于，增强材料(4)与基体固态结合，且铝基复合材料内的铝与增强材料形成的化合物占铝基复合材料的体积分数小于0.001％；
增强材料(4)选自碳纳米管和石墨烯中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的铝基复合材料，其特征在于，铝基复合材料内的纯铝与增强材料(4)形成的化合物占铝基复合材料的体积分数为0。
3.根据权利要求1所述的铝基复合材料，其特征在于，铝基复合材料内的纯铝与增强材料(4)形成的化合物为 Al4C3 ， Al4C3 占铝基复合材料的体积分数大于0且小于0.001％。
CN201710822950.6A 2017-09-13 2017-09-13 铝基复合材料 Active CN107385283B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710822950.6A CN107385283B (zh) 2017-09-13 2017-09-13 铝基复合材料

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710822950.6A CN107385283B (zh) 2017-09-13 2017-09-13 铝基复合材料

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107385283A CN107385283A (zh) 2017-11-24
CN107385283B true CN107385283B (zh) 2019-02-22

Family

ID=60349640

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710822950.6A Active CN107385283B (zh) 2017-09-13 2017-09-13 铝基复合材料

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107385283B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106435244A (zh) * 2016-09-20 2017-02-22 南昌大学 一种铝‑石墨烯金属复合材料的制备方法
CN106702193A (zh) * 2016-12-02 2017-05-24 昆明理工大学 一种石墨烯/铝复合材料的制备方法
CN106916990A (zh) * 2017-03-22 2017-07-04 西京学院 一种用搅拌摩擦工艺制备石墨烯增强铝基复合材料的方法
CN107058787A (zh) * 2017-05-05 2017-08-18 哈尔滨工业大学 一种以石墨微片为原材料制备石墨烯增强铝基复合材料的方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3022559B1 (fr) * 2014-06-18 2016-07-01 Michelin & Cie Graphenisation de surface d'un renfort metallique ou metallise par pyrolyse par projection de flamme

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106435244A (zh) * 2016-09-20 2017-02-22 南昌大学 一种铝‑石墨烯金属复合材料的制备方法
CN106702193A (zh) * 2016-12-02 2017-05-24 昆明理工大学 一种石墨烯/铝复合材料的制备方法
CN106916990A (zh) * 2017-03-22 2017-07-04 西京学院 一种用搅拌摩擦工艺制备石墨烯增强铝基复合材料的方法
CN107058787A (zh) * 2017-05-05 2017-08-18 哈尔滨工业大学 一种以石墨微片为原材料制备石墨烯增强铝基复合材料的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FSP制备碳纤维增强铝基复合材料的强韧化机理;史清宇，等;《清华大学学报》;20170815;第57卷(第8期);第792-797页
基于FSP制备GNSs/6061铝基复合材料;刘守法，等;《兵器材料科学与工程》;20170623;第40卷(第4期);第60-63页

Also Published As

Publication number Publication date
CN107385283A (zh) 2017-11-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107627020A (zh) 铝基复合材料的制备方法
Li et al. Ultrafast self-heating synthesis of robust heterogeneous nanocarbides for high current density hydrogen evolution reaction
Rape et al. Alloy development for highly conductive thermal management materials using copper-diamond composites fabricated by field assisted sintering technology
Cui et al. Effect of ball milling on the defeat of few-layer graphene and properties of copper matrix composites
CN107385283B (zh) 铝基复合材料
Borkar et al. Strength versus ductility in carbon nanotube reinforced nickel matrix nanocomposites
Dadashi Firouzjaei et al. Life‐Cycle Assessment of Ti3C2Tx MXene Synthesis
CN104607523A (zh) 一种板料搅拌渐进复合成形装置及方法
Gamil et al. Investigating the thermo-mechanical properties of aluminum/graphene nano-platelets composites developed by friction stir processing
Huang et al. Superior strength and strengthening mechanism of die attachment joints by using bimodal-sized Cu nanoparticle paste capable of low-temperature pressureless sintering
CN103131981A (zh) 一种实现材料表面超细晶/纳米化的超声辅助半固态搅拌摩擦加工方法
Ogawa et al. Thermal conductivity and tensile properties of carbon nanofiber-reinforced aluminum-matrix composites fabricated via powder metallurgy: effects of ball milling and extrusion conditions on microstructures and resultant composite properties
Wang et al. Interface structure and properties of CNTs/Cu composites fabricated by electroless deposition and spark plasma sintering
Jia et al. Preparation and electrical properties of sintered copper powder compacts modified by polydopamine-derived carbon nanofilms
Yarahmadii et al. Synthesis of aluminum-CNTs composites using double-pressing double-sintering method (DPDS)
Liu et al. High-performance copper-matrix materials reinforced by nail board-like structure 2D Ti3C2Tx MXene with in-situ TiO2 particles
KR101797671B1 (ko) 방열소재용 은-카본 나노복합체의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 은-카본 나노복합체 및 이의 용도
CN107475553A (zh) 一种高硬度、高电导率Cu‑Zr‑Cr‑CNT材料及其制备方法
CN106830083A (zh) 金属相二硫化钼的制备方法
Chen et al. Interface structure of Ag/SnO2 nanocomposite fabricated by reactive synthesis
JP5482658B2 (ja) 発泡金属用前駆体および発泡金属の製造方法、並びに前記製造方法で製造された発泡金属用前駆体および発泡金属
Ren et al. A facile and cost-effective approach to fabricate in-situ synthesized graphene nanosheet reinforced 316L stainless steel
Jiang et al. Thermal expansion behavior of CNT reinforced AlSi10Mg composite fabricated via laser powder bed fusion
CN109112343B (zh) 一种石墨烯铝合金的制备方法
CN111618534A (zh) 一种利用双轴肩搅拌摩擦工艺制备碳纳米管增强铝基复合材料的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant